Акустический луч впервые заставил левитировать объект больше длины волны

University of Bristol

Британским физикам впервые удалось создать акустический левитатор, способный с помощью направленного луча от единственного источника удерживать в воздухе объекты размером больше длины волны источника звука. С помощью создания акустических вихрей нужной конфигурации такое устройство способно заставить левитировать вращающийся полистирольный шарик диаметром 1,6 сантиметра, пишут ученые в Physical Review Letters.

Акустическая левитация объектов основана на создании в воздухе стоячей звуковой волны, способной удерживать частицы в подвешенном состоянии. Механизм основан на создании интерференции когерентных звуковых волн, за счет которой в среде формируются локальные области пониженного и повышенного давления, способные удерживать тело в нужной области пространства. Этот эффект известен еще с первой половины XX века, однако до недавнего времени для реализации механизма акустической левитации было необходимо использование двух источников, что не позволяло создать так называемый акустический захватный луч (tractor beam).

Впервые концепция подобного левитатора была разработана два года назад группой под руководством Азьера Марцо (Asier Marzo) из Бристольского университета. Предложенное учеными устройство с помощью направленного акустического луча было способно удерживать в воздухе полистирольные шарики размером не больше 4 миллиметров. При этом на максимальный размер левитирующих объектов тогда накладывалось фундаментальное ограничение: они должны были быть, как минимум, в два раза меньше длины стоячей волны.

На этот раз та же группа ученых разработала акустический левитатор, в котором это ограничение удалось преодолеть за счет использования акустических вихрей. В отличие от предыдущей версии левитатора, новое устройство имеет не плоскую геометрию, а сферическую. Предложенное устройство состоит из 192 ультразвуковых преобразователей частотой 40 килогерц (и длиной волны 0,87 сантиметра при комнатной температуре), расположенных на внутренней поверхности сферического сектора диаметром 19,2 сантиметра.

Такая геометрия позволяет не просто создать стоячую волну, а привести к образованию в воздушной среде акустических вихрей, которые могут передавать помещенному в акустическое поле объекту угловой момент. За счет образования в воздухе нескольких вихрей одинаковой спиральности, но с противоположными направлениями в таком поле формируется «виртуальный вихрь», с помощью которого можно удерживать в подвешенном состоянии объекты, даже превосходящие длину стоячей волны, и изменять скорость его вращения.

В результате ученые заставили левитировать полистирольный шарик размером 1,6 сантиметра, что почти в два раза больше длины волны источника. Изменяя направление акустических вихрей и таким образом управляя свойствами виртуального вихря, можно контролировать и скорость вращения шарика.


Ученые также показали, что в двумерной конфигурации (если шарик, например, лежит на столе, то есть одна его координата фиксирована) подобные устройства можно использовать для фокусировки и управляемого вращения частиц даже большего размера. В частности, ученым удалось таким образом управлять шариком диаметром 5 сантиметров, что почти в 6 раз больше длины волны. Поэтому ученые ожидают, что в ближайшем будущем подобные устройства, основанные на создании «виртуальных акустических вихрей», удастся использовать для разработки технологий центрифугирования и управления частицами различного размера: от микрокапсул до макрообъектов.

Несмотря на то, что акустические левитаторы существуют уже достаточно давно, и собрать акустический левитатор можно даже в домашних условиях, пока их довольно редко используют для решения каких-либо практических задач. Тем не менее, некоторые концепции для использования акустической левитации предлагаются. Например, ученые из Университета Сассекса предлагают использовать акустическую левитацию для переноса по воздуху капель воды и частичек пищи.

Александр Дубов

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.